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(多图) TPMS解决方案中的几个关键问题

来源:单片机及嵌入式系统应用/浙江工业大学 赵政宁 孙航 曹呈荣?? 2008年01月14日 ?? 收藏0

  引 言

  在汽车的高速行驶中.轮胎故障是所有驾驶员最为担心和最难预防的,也是突发性交通事故发生的主要原因。据统计,在国内的高速公路上,由爆胎引发的交通事故占事故总数的70%;在美国,这一比例更是高达80%。爆胎造成的经济损失巨大,所以在汽车行驶期间,对轮胎的压力变化进行实时监测,应该成为汽车安全系统必备的功能。
研究表明,确保标准的车胎气压和及时发现车胎漏气是防止爆胎的关键。于是汽车轮胎气压监测系统TPMS(Tire Pressure Monitoring System)应运而生。TPMS有直接式和间接式两种,本文提出的是直接式TPMS。历经一年多的时间,笔者成功地完成了TPMS系统的开发,并经过大量车载实验,结果表明所开发的系统工作可靠,能够达到安全预警的目的。下面着重探讨和总结一些关键技术问题。

  1 汽车轮胎气压监测系统(TPMS)解决方案

  TPMS包括传感器、发射模块和接收模块三大部分。传感器和发射模块连接在一起。发射模块包括处理器和发射器;接收模块包括接收器、处理器和显示器。原理框图如图l所示。

汽车轮胎气压监测系统  

  1.1 传感器

  系统选用的是Infineo

n公司的硅压阻式压力传感器SPl2。它是一个SoC模块,内部包括压力传感器,温度传感器,加速度计,电池电压榆测,内部时钟和一个包含ADC、取样/保持、SPI口、数据管理以及ID码的数字信号处理单元。模块可以利用客户专用软件进行配置,其测量精度能达0.0l%~O. 03%Fs(Full Scale,满量程)。此外,它还具备唤醒瞬态工作模式,每6s会产生一个唤醒脉冲,每50min会产生一个复位脉冲。

  1.2 射频发射、接收芯片

  系统中,无线射频发射部分是至关重要的环节。RF发射是主要的耗能元件。选择无线射频发射芯片时,必须考虑功耗、芯片的发射频带宽度及工作的可靠性问题。为此,系统采用了Infineon公司专门为低功耗无线射频数据传输而设计的射频芯片TDK5100F。它具有工作频带宽、功耗低、工作环境温度范围宽、数据传输速度快、工作电压范围宽、可工作在FSK和ASK两种方式及自带锁相环(PLL)等优点。另外,系统选用了与TDK5100F芯片配套的无线射频接收芯片TDA5210。TDA5210具有功耗低、灵敏度高、工作频带宽等优点。

  1.3 电路示意图及程序设计策略

  发射模块电路原理框图如图2所示。

发射模块电路原理框图

  发射模块程序设计如下:系统上电完成自检进入正常工作后,微控制器PICl6F54首先发指令使SPl2测试压力和温度值,判断压力和温度是否异常,即温度是否过高,压力是否过高或过低。若异常,则立即发送压力温度数据帧给接收模块;若正常,PICl6F54继续发指令使SPl2测轮胎的加速度值(指轮胎旋转的离心加速度。该加速度可用来估计汽车当时的行驶速度),以此来设定测试压力、温度数据的时间间隔(速度高时检测适当频繁,反之,检测适当减少);并且根据加速度对速度进行分段,保证在速度低的情况下,发送数据的时间间隔合理变长;在速度高的情况下,合理变短,从而使系统通过软件设计成功实现低功耗。

  接收模块电路原理框图如图3所示。

接收模块电路原理框图

  接收模块程序设计如下:接收芯片TDA52lO接收到从轮胎模块发送来的数据,解调后通过PDO脚传送给主控制器P89V51RD2。P89V51RD2通过硬件串口的形式读取来自TDA5210的一帧数据后,先重新计算校验和以确保接收的数据无误。数据帧经过确认正确后,主控制器对数据帧中的轮胎ID与存储在P89V51RD2存储器中的4个ID值进行比较,以此来判断该帧数据来自哪个轮胎。确定之后,可保存相应的温度和压力值(包括左前胎、左后胎、右前胎、右后胎);同时,P89V51RD2按照一定的时间间隔(比如3s)循环显示4个轮子的压力和温度值,并判断温度和压力值是否正常,以决定是否启动报警功能。报警功能包括高压报警、低压报警、泄漏报警和高温报警。

  2 系统开发中的几个关键问题

  2.1 天线的设计

  天线的设计是本系统的重点和难点。它直接影响到系统的通信距离、可靠性和稳定性。天线设计中第一个重要的参数是天线的长度——应该是所使用波长的1/4,就本系统而言。使用的电磁波的频率是433.92 MHz,那么波长

波长

所以? 0.25λ=17.3cm


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TPMS? 轮胎气压监测? 爆胎?

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